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"Perfectionnements apportés eux sources d'ions mettant on oeuvre un - champ électrique haute fré- quenco pour réaliser l'ionisation"
La présente invention concerne les sources d'ions, c'est-à-dire los dispositifs permettant de produire dos fais- ceaux dd particules ionisées pour divers appareils traitant do telles particules, tels que les accélérateurs de particules, les spectomètres de masse, les unités do séparation isotopique, et plus particulièrement, parmi ces sources, celles dans les- quelles l'ionisation des particules est réalisée par l'appli- cation d'un champ électrique haute fréquence,
dans une en- ceinte réalisée généralement en quartz ou en verre (en parti- culier du type au borosilicate d'aluminium et de sodium
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désigné commercialement sous la marque déposée "Pyrex", ce type do vorro convenant particulièrement pour obtenir dos ions atomi- ques).
Dans do telles sources d'ions connues, on produit en général la champ électrique haute fréquence d'ionisation dans des circuits à constantes localisées et on obtient des rendements ioniques faibles par rapport ± la puissance haute fréquence mise en oeuvre du fait que pour un circuit à constantes localisées alimenté en haute fréquence, le coefficient de surtension Q est faible et les pertes sont élevées.
La présente invention a pour objet une source d'ions, destinée particulièrement, mais non exclusivement, à ioniser des gaz (tels que l'hydrogène, le deutérium, l'hélium, l'azote) ou des vapeurs (par exemple de métaux légers, tels que le lithium.. le sodium) pour réaliser un faisceau de particules ionisées des- tinées à alimenter un accélérateur de particules, avec un ren- demont ionique élevé (de l'ordre d'une dizaine de milliampères pour une puissance haute fréquence de 75 watts environ).
Une source d'ions selon l'invention comprend, à la ma- nière connue, m tube, généralement en verre ou en quartz, des moyens pour réaliser un vide poussé dans ledit tube, des moyens pour appliquer une différence de potentiel continue élevée entre les doux extrémités dudit tube, des moyens pour alimenter une des extrémités dudit tube on un produit sous forme gazeuse à ioniser, et une source de courant haute fréquence, et est carac- térisée par le fait qu'elle comporte une cavité résonante., excitée par ladite source et comprenant une zone réduite do champ haute fréquence très intense, que ledit tube comprend, au voisinage de son autre extrémité, un renflementg de volume réduit en forme de bulbe aplati, et qu'on dispose ledit renflemens dans ladite zone réduite.,
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De préférence, ladite cavité résonante est une cavité co- axiale, constituée par un conducteur creux interne,entourant ledit tube en verre ou on quartz jusqu' au niveau dudit renfle- ment,par une enveloppe conductrice externe ayant le même axe que ledit conducteur creux ot par deux plaques conductrices fer- mant ladito enveloppe avec laquelle elles sont en contact élec- trique, l'uno des plaques portant ledit conducteur interne avec lequel elle est en contact électrique et l'autre plaque, percée d'un orifice central pour la sortie des ions, étant disposée, par rapport à l'extrémité du conducteur interne de laquelle fait saillie ledit renflement, à une distance réduite, à peine supé- ricuro à l'épaisseur dudit ronflement, cotte cavité coaxialc étant.
excitée par la source haute fréquence, de préférence par couplage capacitatif.
L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aido du complément do description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément ut dessin:- sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication,
La figure 1 est une vue en coupa d'un mode da réalisation préféré d'une source d'ions mottant un oeuvre les perfectionne- ments salon l'invuntion, à l'exception des moyens d'alimentation en courant de ladite source:.,
La figure 2 illustre l'alimentation électrique de la source d'ions do la figure 1.
La figure 3 montre schématiquement la cavité résonante à constantes distribuées de la source d'ions do la figure 1 et son modo d'excitation.
La figure 4, unfin, illustre la circuit résonant à cons- tantes localisées correspondant à la cavité résonante de la figure 3.
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d'ions
La source proprement dite (fig.l) comporte essentiellement un tube 1, généralement en verra "Pyrex" ou en quartz, dont une extrémité 24 comprend un renflement 2 en forme do bulbe aplati de potito dimension, ayant par exemple un volume; do l'ordre du centimètre cube; l'extrémité 24 du tubu prend appui sur une bague 3 portée par une pièce coniquo 4 meintenue dans un logement 25a d'une paroi conductrice 25.
Les pièces 3 et 4 sont réalisées on dois métaux résistant à l'impact dos ions tels que la platine, l'acior inoxydable, l'aluminium (par exemple la bague 3 est en platino et la pièce 4 on aluminium).
L'autre extrémité conique 26 du tube 1 porte le dispositif T d'alimentation on gaz ou vapeur à ioniser, qui comprend une chambre 27 avec deux embouts creux 28 ot 29 recevant, l'un l'ex- trémité 26 ot l'autre une électrode crouse 5 à travers laquelle on introduit, comme représenté par la flèche F, la gaz ou l'élé- ment, préalablement vaporise, à ioniser; dans la chambre 27 est logé un disquo on quartz 30 ayant pour objet d'augmenter la ten- sion disruptivo du milieu gazeux à l'intérieur do la source d'ions.
La plus grande partio du tube 1 est logée dans une cavité résonante coaxialo R constituée par un conducteur creux interne 7 enveloppant ledit tube et une envoloppu conductrice externe 6 de môme axe quo le conductuur interne 7 ; une plaque métallique 8, soudéo on 30 à l'enveloppe externe 6 pour assurer la connexion électrique, fcrnc un côté de l'enveloppe 6 ; cotte plaque 8 est percée d'un trou central 31 laissant passer les ions produits dans le bulbe 2 et qui quittent le tube 1, suivant la flèche f. Des joints toriques 32 et 33 on caoutchouc sont disposés entre: la plaque 8 et le bulbe 2, d'une part, et entre cette plaque et la paroi 25, d'autre part.
De même. l'autre extrémité de l'enveloppe 6 est fermée par une plaque métallique 34, fixée par soudure en /30a à l'enveloppe 6 et
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percée en son milieu pour recevoir un r.1c.7.1\in 35 dans lequel sont enfilés les éléments tubulairos 1 et 7. Les éléments 6,7,8,34,35 sont des éléments bon conducteurs do l'électricité, par exemple en cuivre.
Des moyens de pompage (représentés en P) communiquent avec
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l'espace 50 compris entre les plaques cl et 25 et à l'intéricurdu joint torique 33 pour maintenir, à travers les orifices 4a de la
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pièce 4, un vide de l'ordre de 10-3 à 10-4m. de nercuro dans le tube 1.
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En ce qui concerne l'alinontation en courant (fig.2) -on applique une différence do potentiel continue élevée entre l'électrode 5 (polo positif +HTo) et la plaque 8 (pôle négatif -HTo);
-on applique une tension haute fréquence sur le conducteur interne
7 à partir d'un tube oscillateur 9 (disposé dans une enceinte
23 formant blindage) au moyen de trois tiges de cuivre 20,21,22 à travers trois condensateurs 12,16 et 18, dont les armatures sont séparées par une feuille unique de mica 56, épaisse d'environ
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0,1=, de manière à réaliser un couplage ccpicit-tif entrw la cavité résonante et. l'oseilifteur, ce qui p<1r;t de les porter à des potentiels très différents.
Par exemple L'enceinte 23 de la source haute fréquence est mise à la masse
La source haute fréquence comprend:
Un tube oscillateur convenant pour consommer environ 75-100 wqtts à une fréquence de l'ordre de 150 MHz, tel qu'une
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tétrode 9, diraentée par une haute: tension plaque +HTI appliquée sur sa plaque 11 à partir da la ligne 10, pc.r une haute tension écran +HT2 appliquée sur sc grille-écran 14 à partir de la lig-ic.
13 et par uns tension de. chauffage à 1, cauhode 38 à partir des fils 39, le retour s'effectuant par la ligne Cú:TIUJ1...: 19 constituant lu 7Ô1C négatif -HT des hautes tensions d "-:li:-cnt,-',ticl1, des bobines de choc 40 empêchent le passade un retour des courants
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haute fréquence engendrés par le tube 9 et dos condensateurs 41,42 le passage du courant continu directement vers la ligne 19, La grille de commande 15 du tube 9 est reliée, d'une part direc- tement, à la tigo 43 du condensateur 16 et, d'autre part par une résistance 17 do quelques milliers d'ohms,
à la tige 44 du con- densateur 18 qui est reliée par le conducteur 44a. à la ligne de retour 19, c'est-à-dire à la cathode au point du vue haute fré- quence; enfin, la tension plaque est appliquée par la tige 37 au condensateur 12 ; on réalise ainsi avec le tube 9 et la cavité résonante R un ensemble oscillent représente schématiquement sur la figure 3.
Les valeurs des éléments du montage de la figure 2 peu-- vent être les suivantes: +HT1 : + 700 volts +HT2 : +1500 volts -HT : 0 volts
41 f 1500pF
42 : 6800pF fréquence: 150MHz
17 : 20. 000 ohms +HTo;+20.000 volts -HTo; +13.000 volts
La cavité résonante est ainsi excitée (fig.3) par les tiges 20,21,22 en produisant un champ haute fréquence maximun (conne indiqué par les lignes de force, peu danses 46 et très denses 46a dans la zone 5, du champ électrique) entre l'extrétité 45 du conducteur 7 et.la.plaque 8 distantes d'un intervalic d à poine supériour à l'épaisseur e du bulbe;
un-condensateur c ost formé entre ces deux éléments, tandis que l'intérieur de l'enveloppe de la cavité résonante constitue la self-induction L du circuit oscillant correspondant représenta schématiquement sur la figure 4.
La concentration des lignes du force 46a du champ élec- trique dans une zone réduite S de la cavité résinante, zone dans
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laquelle est justement placée, conformément à la caractéristique prin- cipale de l'invention, la zone d'ionisation (renflement 2 du tube 1), assure une forte ionisation du gaz ou de la vapeur dans le renflement 2. En outro, du fait que la surtension Q d'une cavité résonante peut ôtre très élovée pour les très hautes fréquencos (contrairement aux circuits résonants à constantes localisées) on peut amorcor très fa- ciloment l'ionisation du gaz ou de la vapeur dans la ronflement 2, car la champ y est très intense avant l'amorçage.
On peut ainsi réaliser une cavité du typo représenté ayant un coefficient de sur- tension do l'ordre de 1000 qui réalise un amorçage très facile de l'ionisation.
Un autre avantage très important du montage selon l'invontion est constitué par la fait que la zono d'ionisation (renflement 2) est contigue à la zone d'extraction, l'extraction ayant lieu par des moyens connus, par exemple au noyen d'une série d'électrodes d'extrac- tion, d'accélération et do focalisation (par exemple du type décrit dans l'article paru dans le numéro de décembre 1948 du périodique "The Roviow of Sciontific Instruments p.907-909) pour diriger les ions sur le dispositif utilisateur, tel qu'un accélérateur.
En définitive, le fonctionnement du la source d'ions décrite et représentée est le suivant:
Le gaz ou la vapeur à ioniser arrive par l'électrode 5 et il est essentiellement ionisé dans le renflement 2 en forme de bulbe aplati qui so trouve dans une zone do champ haute fréquence maximum; l'ioni- sation y est amorcée et réalisée avec une grande intensité, cc qui permet d'obtenir dos faisceaus f très intenses contenant une forte proportion d'ions (par exemple de l'ordre d'eau moins 70%). Les ions ainsi obtenus sont alors soumis, par les électrode:. d'oxtraction, d'accélération et de focalisation, à une tension continue qui les canalise vers le dispositif d'utilisation, tol qu'un accélérateur de particules.
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"Improvements made to them sources of ions using a - high frequency electric field to achieve ionization"
The present invention relates to ion sources, that is to say to devices for producing beams of ionized particles for various apparatuses for processing such particles, such as particle accelerators, mass spectometers, mass spectrometers, and other devices. isotope separation units, and more particularly, among these sources, those in which the ionization of the particles is carried out by the application of a high frequency electric field,
in an enclosure generally made of quartz or glass (in particular of the sodium aluminum borosilicate type
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designated commercially under the trademark "Pyrex", this type of vorro being particularly suitable for obtaining atomic ions).
In such known ion sources, the high-frequency electric ionization field is generally produced in circuits with localized constants and low ionic yields are obtained with respect to ± the high-frequency power used because for a circuit with localized constants supplied with high frequency, the Q Q factor is low and the losses are high.
The present invention relates to an ion source, intended particularly, but not exclusively, to ionize gases (such as hydrogen, deuterium, helium, nitrogen) or vapors (for example of light metals. , such as lithium .. sodium) to produce a beam of ionized particles intended to supply a particle accelerator, with a high ionic output (of the order of ten milliamps for high frequency power of approximately 75 watts).
An ion source according to the invention comprises, in a known manner, a tube, generally made of glass or quartz, means for creating a high vacuum in said tube, means for applying a high continuous potential difference between the soft ends of said tube, means for supplying one of the ends of said tube are produced in gaseous form to be ionized, and a high frequency current source, and is characterized by the fact that it comprises a resonant cavity. by said source and comprising a reduced area do very intense high frequency field, that said tube comprises, in the vicinity of its other end, a bulge of reduced volume in the form of a flattened bulb, and that said bulges are placed in said reduced area. ,
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Preferably, said resonant cavity is a coaxial cavity, constituted by an internal hollow conductor, surrounding said glass or quartz tube up to the level of said bulge, by an external conductive envelope having the same axis as said hollow conductor. ot by two conductive plates closing the envelope with which they are in electrical contact, one of the plates carrying said internal conductor with which it is in electrical contact and the other plate, pierced with a central hole for the the outlet of the ions, being disposed, with respect to the end of the internal conductor from which the said bulge protrudes, at a reduced distance, barely greater than the thickness of the said snore, this cavity being coaxial.
excited by the high frequency source, preferably by capacitive coupling.
The invention can, in any case, be well understood with the aid of the additional description which follows as well as the appended drawings, which complement the drawing: - are, of course, given mainly by way of indication,
FIG. 1 is a sectional view of a preferred embodiment of an ion source forming a work of the improvements involving the invasion, with the exception of the means for supplying current to said source :. ,
Figure 2 illustrates the power supply to the ion source of Figure 1.
FIG. 3 schematically shows the resonant cavity with distributed constants of the ion source of FIG. 1 and its mode of excitation.
FIG. 4, unfinally, illustrates the resonant circuit with localized constants corresponding to the resonant cavity of FIG. 3.
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ions
The source itself (fig.l) essentially comprises a tube 1, generally in "Pyrex" glass or in quartz, one end 24 of which comprises a bulge 2 in the form of a flattened bulb of potito dimension, having for example a volume; do the order of a cubic centimeter; the end 24 of the tube rests on a ring 3 carried by a conical part 4 held in a housing 25a of a conductive wall 25.
Parts 3 and 4 are made from metals resistant to the impact of ions such as platinum, stainless steel, aluminum (for example ring 3 is in platinum and part 4 is aluminum).
The other conical end 26 of the tube 1 carries the device T for supplying the gas or vapor to be ionized, which comprises a chamber 27 with two hollow end pieces 28 ot 29 receiving, one end 26 ot the other. a dirt electrode 5 through which is introduced, as represented by the arrow F, the gas or the element, vaporized beforehand, to be ionized; in the chamber 27 is housed a quartz disc 30 for the purpose of increasing the disruptive voltage of the gaseous medium inside the ion source.
The greater partio of the tube 1 is housed in a coaxial R resonant cavity constituted by an internal hollow conductor 7 enveloping said tube and an external conductive envoloppu 6 of the same axis as the internal conductuur 7; a metal plate 8, welded to the outer casing 6 to ensure the electrical connection, fcrnc one side of the casing 6; this plate 8 is pierced with a central hole 31 allowing the ions produced in the bulb 2 to pass and which leave the tube 1, following the arrow f. O-rings 32 and 33 on rubber are arranged between: the plate 8 and the bulb 2, on the one hand, and between this plate and the wall 25, on the other hand.
The same. the other end of the casing 6 is closed by a metal plate 34, fixed by welding at / 30a to the casing 6 and
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pierced in its middle to receive a r.1c.7.1 \ in 35 in which are threaded the tubular elements 1 and 7. The elements 6,7,8,34,35 are elements that are good conductors of electricity, for example in copper.
Pumping means (shown at P) communicate with
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the space 50 included between the plates cl and 25 and inside the O-ring 33 to hold, through the orifices 4a of the
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part 4, a gap of the order of 10-3 to 10-4m. of nercuro in tube 1.
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With regard to the current alinontation (fig.2) - a high continuous potential difference is applied between the electrode 5 (positive polo + HTo) and the plate 8 (negative pole -HTo);
-we apply a high frequency voltage to the internal conductor
7 from an oscillator tube 9 (arranged in an enclosure
23 forming shielding) by means of three copper rods 20,21,22 through three capacitors 12,16 and 18, the armatures of which are separated by a single sheet of mica 56, approximately
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0.1 =, so as to achieve a ccpicit-tif coupling between the resonant cavity and. the sorrelator, which p <1r; t to bring them to very different potentials.
For example Speaker 23 of the high frequency source is grounded
The high frequency source includes:
An oscillator tube suitable for consuming about 75-100 wqtts at a frequency of the order of 150 MHz, such as a
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tetrode 9, said by a high: plate voltage + HTI applied to its plate 11 from line 10, pc.r a high screen voltage + HT2 applied to sc grid-screen 14 from lig-ic.
13 and by a voltage of. heating at 1, cauhode 38 from the wires 39, the return being effected by the line Cú: TIUJ1 ...: 19 constituting read 7Ô1C negative -HT of high voltages d "-: li: -cnt, - ', ticl1 , shock coils 40 prevent the passing of a return of currents
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high frequency generated by the tube 9 and its capacitors 41,42 the passage of the direct current directly towards the line 19, The control grid 15 of the tube 9 is connected, on the one hand directly, to the tigo 43 of the capacitor 16 and, on the other hand by a resistance 17 of a few thousand ohms,
to the rod 44 of the capacitor 18 which is connected by the conductor 44a. at the return line 19, that is to say at the cathode from the high frequency point of view; finally, the plate voltage is applied by the rod 37 to the capacitor 12; with tube 9 and resonant cavity R, an oscillating assembly is thus produced, shown schematically in FIG. 3.
The values of the assembly elements of figure 2 can be as follows: + HT1: + 700 volts + HT2: +1500 volts -HT: 0 volts
41 f 1500pF
42: 6800pF frequency: 150MHz
17: 20,000 ohms + HTo; +20,000 volts -HTo; +13,000 volts
The resonant cavity is thus excited (fig. 3) by the rods 20,21,22 by producing a maximum high frequency field (cone indicated by the lines of force, little dances 46 and very dense 46a in zone 5, of the electric field ) between the end 45 of the conductor 7 et.la.plaque 8 spaced apart by an intervalic d at a point greater than the thickness e of the bulb;
a capacitor c ost formed between these two elements, while the interior of the envelope of the resonant cavity constitutes the self-induction L of the corresponding oscillating circuit, schematically represented in FIG. 4.
The concentration of the lines of force 46a of the electric field in a reduced zone S of the resinous cavity, zone in
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which is precisely placed, in accordance with the main characteristic of the invention, the ionization zone (bulge 2 of tube 1), ensures a strong ionization of the gas or vapor in the bulge 2. In addition, because that the overvoltage Q of a resonant cavity can be very high for very high frequencies (unlike resonant circuits with localized constants) it is very easy to initiate the ionization of gas or steam in hum 2, because the field is very intense there before priming.
It is thus possible to produce a cavity of the type represented having an over-voltage coefficient of the order of 1000 which achieves very easy initiation of the ionization.
Another very important advantage of the assembly according to the invontion is constituted by the fact that the ionization zone (bulge 2) is contiguous to the extraction zone, the extraction taking place by known means, for example at the nucleus of a series of extraction, acceleration and focusing electrodes (for example of the type described in the article appearing in the December 1948 issue of the periodical "The Roviow of Sciontific Instruments p.907-909) for directing the ions to the user device, such as an accelerator.
Ultimately, the operation of the ion source described and shown is as follows:
The gas or vapor to be ionized arrives through the electrode 5 and is essentially ionized in the bulge 2 in the form of a flattened bulb which is located in a zone of maximum high frequency field; ionization is initiated there and carried out with great intensity, which makes it possible to obtain very intense f beams containing a high proportion of ions (for example of the order of water minus 70%). The ions thus obtained are then subjected, by the electrodes :. oxtraction, acceleration and focusing, at a direct voltage which channels them to the device of use, tol a particle accelerator.